某監控設備主控計算機的結構設計

張建（中國兵器工業第58研究所，四川 綿陽　621000）

某監控設備主控計算機的結構設計

張建
（中國兵器工業第58研究所，四川 綿陽621000）

論文就某監控設備主控計算機的結構組成、電磁兼容設計、熱設計、“三防”設計等做了詳細論述。通過制造驗證，該機順利通過了振動、沖擊、低溫、高溫、濕熱以及電磁兼容等試驗，具有結構緊湊，攜帶方便，散熱高效，電磁屏蔽效果良好等特點，各項指標均滿足要求。

加固計算機；結構設計；電磁兼容；熱設計；三防

0　引言

結構設計作為產品設計的一部分，對產品功能的實現起著至關重要的作用。某監控設備主控計算機為可靠性極高的一體化加固計算機，主要技術指標要求如下：

貯存溫度：-40℃～60℃；工作溫度：-10℃～45℃；濕熱試驗：40℃，相對濕度90%～98%，48h；電磁兼容性：滿足 GJB151A-2003中關于地面設備對 CE102、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103的極限制要求；可靠性：一次連續工作時間不小于1a；累計工作時間不小于5a；整機設備MTBF不低于24000h；熱待機一年的工作可靠度為0.991；維修性：平均維修時間不大于15min；維修度不小于0.9。

要達到上述技術要求，在結構設計時，須綜合考慮整機結構、電磁兼容性設計、熱設計和“三防”設計等。

圖1　監控設備主控計算機外形圖Fig.1 Dimension of the rugged computer of monitoring equipment

1　整機結構組成

為使監控設備主控計算機便于維護、通用性強，本機采用便攜式一體化結構，模塊化、分體式設計。監控設備主控計算機整機結構包括箱體、顯示屏、鍵盤以及各功能插件，其外形如圖1所示

箱體由硬鋁加工后真空釬焊而成，是監控設備計算機機箱的主體部分，其8個角上裝有橡膠護角。顯示器固定在機箱正前方，是該機的主要顯示部分，包括液晶顯示屏、指示燈、開關以及屏蔽玻璃等。鍵盤通過阻尼鉸鏈與箱體連接，主要包括防水鍵盤、鼠標觸摸板，使用時為下翻狀態，運輸時可翻起收攏。功能插件從箱體右側插入背板，通過楔形鎖緊裝置進行緊固。外部信號及電源接口位于箱體左側面。

2　電磁兼容（EMC）設計

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指電氣和電子設備或系統在包圍它的電磁環境中能正常工作，不因電磁干擾而降低工作性能，且它們本身所發射的電磁能量不足以惡化環境和影響其他設備或系統的正常工作。在進行電子設備設計時，通常采用電磁屏蔽、濾波和接地等措施使設備或系統具備良好的電磁兼容性。本文著重從縫隙、顯示屏、鍵盤等位置的處理論述機箱的電磁屏蔽性。

2.1縫隙的屏蔽設計

由電磁理論可知，影響屏蔽完整性的主要因素是屏蔽體上的接縫，故機箱主體上的各可拆卸蓋板成為影響機箱電磁屏蔽完整性的主要因素。縫隙的傳輸損耗受縫隙深度及縫隙長度的影響，為了提高屏蔽效能，需要增加縫隙的深度，減小縫隙的長度。

因此，在進行結構設計時，在不影響機箱強度、維修性、美觀性的前提下，各蓋板盡量設計成凸起結構，伸入箱體內；縮短安裝螺釘的孔間距以減小縫隙長度；在安裝面的溝槽里裝導電襯墊，如導電橡膠條、指形簧片等，進一步填充結合面處的縫隙，增強板件的導電性。

圖2　縫隙設計示意圖Fig.2 Gap design

2.2顯示器的屏蔽設計

為減少外部干擾對監控設備主控計算機液晶顯示屏的影響，同時，防止液晶屏電磁輻射外泄，本機設計時，在液晶屏與面板之間加裝夾金屬絲網屏蔽玻璃。安裝時，屏蔽玻璃四周金屬裙邊用導電膠與面板牢固粘接，屏蔽玻璃采用壓框緊固。面板內伸凸起處安裝一金屬罩，可防止內部功能插件電磁輻射對液晶顯示屏的影響。

此外，面板上安裝的開關和指示燈都具有屏蔽功能，在安裝前，應裝導電橡膠襯墊。面板與箱體結合面處設計一導槽，用導電膠粘貼導電橡膠圈。

圖3　顯示器設計示意圖Fig.3 LCD design

2.3鍵盤的屏蔽設計

為使鍵盤部分具備良好的電磁屏蔽性，設計時，選用防水加固鍵盤。安裝時，在加固鍵盤底部與鍵盤托架結合面處裝導電襯墊，使之電連接充分。鍵盤控制線用屏蔽線纜引入主機，屏蔽層一端與機箱主體搭接，另一端與鍵盤托架搭接。

3　熱設計

監控設備主控計算機的主要熱源為電源模塊和CPU插件，發熱功耗約200W。通過計算，該機的表面散熱功率密度約0.03W/cm2，體積散熱功率密度約0.006W/ cm3。由熱設計理論可知，該機可通過自然冷卻散熱。電源和CPU印制板上的發熱器件大部分熱量通過腔體和鎖緊條傳遞至密閉的機箱主體，機箱主體上的熱量通過與桌面的熱傳導、與周圍空氣的熱對流和向空間的熱輻射散去。其熱流路徑如圖4所示。

圖4　熱流路徑圖Fig.4 Heat-flow path

由于監控設備主控計算機8個角上都裝有橡膠護角，機箱主體向桌面傳導的熱量極為有限，這里主要考慮對流和輻射散熱。由密封機箱散熱公式：

式中：WT—密閉機箱表面的散熱量（W）；Ss—機箱側面內壁的有效面積（m2）；St—機箱頂部的表面積（m2）；Sb—機箱的底面積（m2）；△t—機箱的溫升值（℃）；σ—斯忒

監控設備主控計算機的散熱主要取決于機箱主體的表面積，因此，在設計時，盡可能的在各面開設溝槽，可大大增加散熱面積。

4　“三防”設計

在現代電子設備的實際應用環境中，潮濕、鹽霧和霉菌對電子設備的侵蝕十分普遍。工作的氣候因素和環境條件非常復雜，既能單獨影響，又能同時作用，從而加速對器件和設備的損害。因此在考慮電子設備可靠性和穩定性時，要根據不同環境條件采取相應的防護措施，也就是說，三防技術在實際應用中具有廣泛且重要的意義。

為提高監控設備主控計算機的可靠性，在材料選擇、結構設計和工藝防護等方面作了充分考慮，使之能滿足生產、調試、運輸、工作、存儲等過程所處環境的防護要求。

4.1合理選用材料

材料選用的合理性不但影響裝備的耐候性，還影響裝備的制造成本和使用。在設計時，監控設備主控計算機機箱體選用鋁鎂系防銹鋁；阻尼器、搭扣、標準件等關鍵器件選用防護等級較高的奧氏體不銹鋼材質；包角、護線圈等非金屬材料吸濕性低、耐霉菌，不揮發腐蝕性氣體，與金屬無接觸腐蝕；盡量選用一類金屬材料，或者選用電位差較小的不同類金屬材料。

4.2合理的結構設計

結構形式對裝備耐候性的影響非常大，不良的結構形式是一種先天性缺陷，很難在以后彌補。監控設備主控計算機結構設計時，充分考慮了以下細節：①機箱表面結構簡潔、連續、流暢、過渡圓滑，盡量避免縫隙、孔隙、尖角，使腐蝕性介質不易滯留和聚集；②機箱各面開設長條凹槽，使之易于散熱；③在合適位置安裝防水透氣閥，使箱體內外氣壓保持平衡，可防止因溫度驟變產生凝露和水汽密封膠條損壞的現象發生；④箱體采用真空釬焊技術成型，搭接可靠。

4.3合理的工藝防護措施

合理的工藝防護措施是提高裝備抗惡劣環境能力的重要手段，主要有表面處理、灌封處理、絕緣處理、防霉處理、包裝防護等。監控設備主控計算機箱體整體導電氧化，除導電面外，表面涂覆耐腐蝕聚氨酯漆，里面噴涂三防清漆；非導電部件作陽極氧化后噴聚氨酯漆。

5　結束語

按照上述設計制造，監控設備主控計算機結構緊湊，攜帶方便，散熱高效，電磁屏蔽效果良好，順利通過了振動、沖擊、低溫、高溫、濕熱以及電磁兼容性等試驗，產品各項指標均滿足要求。

［1］袁麗.便攜式加固計算機結構綜合防護設計研究［J］.現代制造工程，2015，2.

［2］王從思，等.電子設備的現代防護技術［J］.電子機械工程，2005，3.

［3］電子科學研究院.電子設備三防技術手冊［M］.北京：兵器工業出版社，2000.

［4］中華人民共和國航天工業部部標準，QJ 1474-88，電子設備熱設計規范［S］.北京：中華人民共和國航天工業部，1988-04-08：24-25.

Structure Design of a Certain Rugged Computer of Monitoring Equipment

ZHANG Jian
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang Sichuan 621000，China）

Structure，electromagnetic compatibility，thermal design，three-proof design etc.in a certain rugged computer of monitoring equipment are discussed in detail in this paper.The rugged computer of monitoring equipment passed vibration test，shock test，low temperature test，high temperature test，damp heat test，and EMC test successfully after the completion of manufacture.It's compact and easy to carry.The effects of cooling and electromagnetic shielding are good.All the parameters can meet the requirements.

rugged computer；structure design；electromagnetic compatibility（EMC）；thermal design；three-proofing design

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.038

1002-6673（2015）05-102-03

2015-07-30

張建（1983-），男，工學學士，助理工程師。主要從事電子設備結構設計及工藝技術研究等工作。